(57)【要約】【課題】  金属薄膜のプラズマエッチング時間を適切に制御することの可能なプラズマエッチング装置を得ること。【解決手段】  プラズマエッチング装置は、放電電極及び高周波電源の間に設けられ、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定するセンサ２２と、所定の線形関数を利用して、前記高周波成分の平均値に対応するエッチングの終点時間を算出する手段２４とを備える。所定の線形関数は、プラズマエッチングされる薄膜のパターン開口率に応じて、複数の線形関数の中から選択される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電電極及び高周波電源の間に設けられ、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定するセンサと、
所定の線形関数を利用して、前記高周波成分に対応するエッチングの終点時間を算出する手段と
を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
前記所定の線形関数は、エッチングされる金属薄膜のパターン開口率に合わせて用意された複数の線形関数の中から選択されたものである
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング装置。
【請求項３】
前記複数の線形関数の中に、一のパターン開口率を基準に前記線形関数の勾配が実質０となる関数が含まれる
ことを特徴とする請求項２記載のプラズマエッチング装置。
【請求項４】
前記センサが、前記プラズマに関する電圧と、電流と、電圧及び電流間の位相差とを測定する
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング装置。
【請求項５】
プラズマエッチングされる薄膜のパターン開口率に応じて、複数の線形関数の中から１つの線形関数を選択し
プラズマエッチング中に、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定し、測定値の時間平均値を算出し、
前記１つの線形関数を利用して、前記時間平均値に対応するエッチングの終点時間を決定する
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を製造するためのドライエッチングの技術分野に関し、特にプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化には、レイアウトパターンの原版となるフォトマスクの微細化及び高精度化が必要になる。フォトマスクは、通常的には、石英のような透明基板上に成膜されたクロム等より成る遮光膜（金属薄膜）を有し、半導体装置に転写するマスクパターンを形成する。フォトマスクに形成されるパターンは、例えば電子線描画により、金属薄膜上にレジストを設け、一部のレジストを除去し、露出した金属薄膜をプラズマエッチングで除去することによって形成される。このエッチングは、主に金属薄膜の膜厚方向（プラズマ放電電極に垂直な方向）に進むエッチングの時間に加えて、それ以後、面方向に沿って進行するエッチングの時間との合計時間にわたって続けられる。説明の便宜上、前者の時間はエッチング終点時間と呼ばれ、前者と後者を含めた時間は、オーバーエッチング終了時間と呼ばれる。オーバーエッチング終了時間は、エッチング終点時間に基づいて定められるので、プラズマエッチングを行なう時間を適切に制御するには、エッチング終点時間を正確に制御又は把握する必要がある。
【０００３】
従来のエッチング終点時間検出する第１の方法は、発光分析法（ＯＥＳ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｍｉｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）である。これは、被処理膜又はエッチングガスに起因する、プラズマ発光スペクトルに含まれる光を分析し、その発光強度変化に基づいてエッチング終点時間を検出しようとする。この方法によれば、エッチング中に、プラズマの状態に影響を及ぼさずに、しかも、特定のモニタパターンを利用せずに終点時間を検出することができる。モニタパターンとは、エッチング終点検出用に基板に特別に設けられた測定用のレイアウトパターンである。
【０００４】
エッチング終点時間を検出する第２の方法は、特定の波長のレーザ光に対する薄膜の反射率の相違を利用するものである。基板にレーザ光を照射し、反射光強度を測定する。エッチングが進行し、膜の界面に到達すると反射率が変化し、その変化を検出することでエッチング終点時間を求める。この方法によれば、処理圧力や、エッチングガスの種類等のプロセス条件によらない測定結果（終点時間）が得られる。
【０００５】
エッチング終点時間を検出する第３の方法は、ＲＦセンサを用いてプラズマの電流、電圧及び位相差等を測定し、プラズマの状態変化を検出することで、エッチング終点時間を検出しようとするものである。この方法によれば、第１の方法と同様に、特別なモニタパターンを設けずにエッチング終点時間を検出することができる（この方法については、例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−１２５６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、第１の方法におけるプラズマの発光スペクトルは、パターン開口率やプロセス条件（処理圧力、エッチングガスの種類、流量、流量比その他の条件）等に複雑に依存するので、発光スペクトルの解析及びプラズマの制御は容易ではなく、量産に好都合ではない。ここで、「パターン開口率」とは、被処理面全体のうちエッチングされる部分の占める割合又は面積比で定められる量である。例えば、金属薄膜をエッチングする場合に、金属薄膜の全表面積の内８０％がレジストで被覆され、２０％が露出していたとすると、パターン開口率は２０％である。一般に、パターン開口率が大きいと（開口が広いと）エッチレートが遅くなり、それが小さいと（開口が小さいと）エッチレートが速くなる傾向がある。従って、パターン開口率の広狭に依存してエッチレートに遅速が生じ、エッチング精度にばらつきが生じるおそれがある。また、パターン開口率が様々に変化すると、発光スペクトルも様々に変化するので、高精度な終点時間検出はますます困難になることが懸念される。
【０００７】
また、第２の方法でエッチング終点時間を検出するには、充分に大きな反射光強度の変化を得る必要があり、例えば数１００μｍ以上の大きな開口を要する。従って、この方法は、ビアやコンタクトホールのような小さなパターン開口率しか有しない部分のエッチングの終点検出に好都合ではない。一方、レーザ光はスポット状に比較的小さな領域に照射されるので、場所によってパターン開口率が異なる場合には、エッチング終点時間の検出精度が場所によって異なってしまうことも懸念される。
【０００８】
更に、第３の方法でも、エッチング終点時間近辺におけるスペクトル強度変化は、パターン開口率が小さい場合には小さくなるので、エッチング終点時間の検出精度が低下してしまうことが懸念される。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、金属薄膜のプラズマエッチング時間を適切に制御することの可能なプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるプラズマエッチング装置は、
放電電極及び高周波電源の間に設けられ、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定するセンサと、
所定の線形関数を利用して、前記高周波成分の平均値に対応するエッチングの終点時間を算出する手段と
を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属薄膜等のプラズマエッチング時間を適切に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一態様によれば、プラズマエッチングされる薄膜のパターン開口率に応じて、複数の線形関数の中から１つの線形関数が選択される。プラズマエッチング中に、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定し、測定値の時間平均値が算出される。前記１つの線形関数を利用して、前記時間平均値に対応するエッチングの終点時間が決定される。
【００１３】
パターン開口率に応じて適切な線形関数が選択され、その線形関数によりエッチング終点時間が決定されるので、パターン開口率が低かったとしても適切なエッチング終点時間を求めることができる。エッチング終点時間が正確に判定されるので、オーバエッチングを含めたエッチング全体の時間も正確に判定され、ひいてはエッチングの高精度化を図ることができる。リアクタンスの高調波成分は、プラズマの状態変化に敏感に反応するので、それはエッチングの終点時間検出に好都合である。また、パターン開口率に応じて適切なエッチング終点時間が定まるので、パターン開口の広狭によるエッチレートの遅速に起因するエッチング精度のばらつきも少なくなり、このような性質は量産化に好都合である。
【００１４】
本発明の一態様によれば、前記複数の線形関数の中に、正の勾配を有するものと負の勾配を有するものとが含まれる。これにより、パターン開口率の大小に応じて線形関数を設定することができる。一例としては、パターン開口率の大きい場合に、負の勾配の関数が使用され、パターン開口率の小さい場合に、正の勾配の関数が使用される。
【実施例１】
【００１５】
以下、フォトマスクに成膜される金属薄膜をプラズマエッチングする実施例が説明されるが、本発明はそのような用途に限定されず、薄膜をプラズマエッチングする任意の用途に適用可能である。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例によるプラズマエッチング装置の概略構成図を示す。本装置は、ＩＣＰ型のエッチング装置であるが、本発明は他のプラズマエッチング装置にも適用可能である。本装置は、処理室又はチャンバ１０と、１対の放電電極１２，１４と、第１の電源部１６と、第２の電源部１８と、コイル２０と、センサ２２と、データ処理部２４とを有する。
【００１７】
処理室１０内には、１対の放電電極１２，１４が設けられ、その放電電極間でプラズマが発生する。第１の放電電極又は下部電極１２には、第１の電源部１６が接続される。第１の電極部１６は第１の高周波電源部を形成し、例えば１３．５６ＭＨｚの交流電源より成る。第２の放電電極又は上部電極１４には、第２の電源部１８が接続される。第２の電源部１８は第２の高周波電源部を形成し、例えば２ＭＨｚの交流電源より成る。第２の放電電極１４にはコイル２０が設けられており、それは極板間のプラズマを誘導するために使用される。本実施例による装置は、下部電極１２と高周波電源部１６との間にセンサ２２を有し、そのセンサ２２の出力は、データ処理部２４に与えられる。本実施例では、第１及び第２の電源部１６，１８が独立に設けられているが、本発明は、他の電源回路構成を有するプラズマ装置にも使用可能である。
【００１８】
一方、処理室１０内には、エッチングの対象物が設けられ、本実施例における対象物は、基板３０上に適切にパターニングされた金属薄膜（例えば、クロム、アルミニウム、タングステン等より成る）３２を有する。
【００１９】
センサ２２は、処理室１０内のプラズマの電圧Ｖ、電流Ｉ及びそれらの間の位相差θを測定し、データ処理部２４に与える。このようなセンサは、例えば測定値を２次電流や２次電圧として出力するコイルで構成してもよい。データ処理部２４は、センサ２２からの測定値に基づいて、プラズマのリアクタンスＸ［Ω］を次式に従って算出する。
【００２０】
Ｘ＝（Ｖ／Ｉ）×ｓｉｎθ
ここで、Ｖはプラズマの電圧の実効値であり、Ｉはプラズマの電流の実効値であり、θは電圧及び電流の間の位相差を表す。更に、データ処理部２４で算出されるリアクタンスＸは、高周波電源１６の基本周波数ｆ１に対するものではなく、高調波成分に対するリアクタンスであることに留意を要する。本実施例では５次高調波成分ｆ５が使用されているが、一般には、２次以上の高調波を利用することができる。
【００２１】
図２は、図１に示されるような装置で金属薄膜をプラズマエッチングを行なった場合の実験結果を示す。図中のグラフＡは、エッチング時間及びリアクタンスＸの５次高調波成分（のスペクトル強度）の関係を示すグラフである。図中のグラフＢは、グラフＡの微分曲線に相当するグラフである。実験では、約７３ｎｍの膜厚に成膜されたクロムの薄膜３２上に４００ｎｍの膜厚でレジストが設けられた基板が使用された。そして、第１の電源部１６には６５ＷのＲＦ電力が、第２の電源部１８には７５０ＷのＲＦ電力が供給された。処理室１０内の圧力は、８ｍＴｏｒｒに維持された。プラズマエッチングガスとしては、塩素、酸素及びヘリウムが、４８：１５：２２の割合で使用された。
【００２２】
グラフＡに示されているように、エッチングが進行するにつれて、リアクタンスのスペクトル強度は低下し、エッチング終点時間に達した時点で変曲点が形成される。グラフＡの変曲点は微分曲線のグラフＢのピークαを与える。従って、これらのグラフから、エッチング終点時間は、約１４５秒であることが分かる。
【００２３】
図３は、図２で説明されたようにして算出されたエッチング終点時間ｙと、リアクタンスＸの５次高調波成分の平均値ｘとの関係を示す。グラフＰは、パターン開口率２７％のレイアウトパターンをエッチングする場合の様子を示す。グラフＱは、パターン開口率１％のレイアウトパターンをエッチングする場合の様子を示す。図示されているように、大きなパターン開口率を有する基板をエッチングする際の５次リアクタンスの平均値ｘ及びエッチング終点時間ｙの間の関係は、負の傾きを有する線形関数で近似できることが分かる。より具体的には、グラフＰは、次式で表される：
ｙ＝−２５．０×ｘ＋２５７．０  ・・・（Ｐ）
また、小さなパターン開口率を有する基板をエッチングする際の５次リアクタンスの平均値ｘ及びエッチング終点時間ｙの間の関係は、正の傾きを有する線形関数で近似できることが分かる。より具体的には、グラフＱは、次式で表される：
ｙ＝＋１５．９×ｘ＋３２１．３  ・・・（Ｑ）
本発明の発明者等による研究結果によれば、線形関数の傾きの符号は、約６％のパターン開口率を境に反転することが見出された。線形関数の勾配や切片の値、更には勾配の符号反転に関するパターン開口率の臨界値等の具体的な数値は、エッチングの対象物の材料やプロセス条件等によって、ある程度変動することが予想される。しかし、リアクタンスの高次高調波成分ｘとエッチング終点時間ｙとが線形関数で近似できること、あるパターン開口率を境に勾配の符号が変わること等は、何れの場合にも当てはまるであろう。従って、図３に示されるような実験を事前に行なって、リアクタンス平均値ｘとエッチング終点時間ｙとの近似的な線形関数を、様々なパターン開口率に合わせて複数個用意し、エッチング時に適宜選択するようにすれば、どのようなパターン開口率でもエッチング終点時間を適切に推定することができる。本実施例では、線形関数は（Ｐ）式及び（Ｑ）式の２者択一であるが、更に多くのパターン開口率について平均値及び終点時間の関係を調べることで、より多くの線形関数を用意してもよい。
【００２４】
また、本発明の発明者等による研究結果によれば、図４に示されるように、５次リアクタンスの平均値は、ウエハの処理枚数が増えるにつれて経時的に変化することが見出された。従って、このような経時的な平均値の変化を考慮して、（Ｐ）式や（Ｑ）式に示されるような線形関数を校正してもよいし、使用される線形関数をウエハの処理枚数に合わせて変更してもよい。
【００２５】
図５は、本発明の一実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。フローはステップ５０２から始まり、ステップ５０４に進む。
【００２６】
ステップ５０４では、プラズマエッチングが行なわれる基板のパターン開口率、リアクタンスＸの平均値を求めるための平均化時間Ｔ、オーバーエッチング量等のパラメータが設定される。本実施例では、Ｔ＝４０秒であるが、他の値が採用されてもよい。
【００２７】
ステップ５０６では、パターン開口率が所定値より大きいか又は小さいかが判別される。本実施例では、パターン開口率が６％の値と比較され、６％より大きい場合はフローはステップ５０８に進み、小さい場合はステップ５０９に進む。
【００２８】
ステップ５０８では、例えば上記の（Ｐ）式で表現されるような負の傾きを有する線形関数が選択される。
【００２９】
ステップ５０９では、例えば上記の（Ｑ）式で表現されるような正の傾きを有する線形関数が選択される。
【００３０】
ステップ５１０では、プラズマエッチングが開始される。
【００３１】
ステップ５１２では、エッチングが、所定の平均化時間Ｔ（本実施例では、４０秒）以上行なわれたか否かが判定され、未だ平均化時間の範疇にあればフローはステップ５１４に進み、そうでなければステップ５１６に進む。
【００３２】
ステップ５１４では、図１に示されるようなセンサ２２により得られたプラズマの電圧Ｖ、電流Ｉ及びそれらの間の位相差θの測定値に基づいて、リアクタンスＸ（＝Ｖ／Ｉ×ｓｉｎθ）が算出される。このリアクタンスＸは瞬時値に相当し、Ｔ＝４０秒の期間にわたってサンプリングされる。
【００３３】
ステップ５１６では、Ｔ＝４０秒の期間にわたって取得された瞬時値Ｘの平均値Ｘａｖｅが算出される。リアクタンスの瞬時値Ｘ及び平均値Ｘａｖｅの算出は、本実施例ではデータ処理部２４で行なわれるが、それらの計算の全部又は一部がセンサ２２で行なわれてもよい。
【００３４】
ステップ５１８では、平均値Ｘａｖｅを、ステップ５０８又は５０９で選択された線形関数のｘに代入することで、エッチング終点時間ｙ（ｘ＝Ｘａｖｅ）＝Ｔｅｎｄ  が算出される。
【００３５】
ステップ５２０では、オーバーエッチング終了時間Ｔｔｏｔａｌ  が算出される。上記のオーバーエッチング量が、例えば、膜厚方向のエッチングに要する時間（Ｔｅｎｄ）のＡ％として定義されるならば、オーバーエッチング終了時間は、
Ｔｔｏｔａｌ＝（１＋Ａ／１００）×Ｔｅｎｄ 
として算出することができる。或いは、上記のオーバーエッチング量が、固定値Ｂ（秒）として定義されるならば、オーバーエッチング終了時間は、
Ｔｔｏｔａｌ＝Ｔｅｎｄ＋Ｂ
として算出することができる。これら以外にも様々な関係式を用いて、エッチング終了時間（Ｔｅｎｄ）からオーバーエッチング終了時間を求めることができる。
【００３６】
ステップ５２２では、エッチングが、オーバーエッチング終了時間以上行なわれたか否かが判定される。それが未だ行なわれていなければ、フローはステップ５２４に進み、エッチングが継続される。エッチングが、オーバーエッチング終了時間以上行なわれた場合には、フローはステップ５２６に進み、終了する。
【００３７】
以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。
【００３８】
（付記１）
放電電極及び高周波電源の間に設けられ、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定するセンサと、
所定の線形関数を利用して、前記高周波成分に対応するエッチングの終点時間を算出する手段と
を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【００３９】
（付記２）
前記所定の線形関数は、エッチングされる金属薄膜のパターン開口率に合わせて用意された複数の線形関数の中から選択されたものである
ことを特徴とする付記１記載のプラズマエッチング装置。
【００４０】
（付記３）
前記複数の線形関数の中に、一のパターン開口率を基準に前記線形関数の勾配が実質０となる関数が含まれる
ことを特徴とする付記２記載のプラズマエッチング装置。
【００４１】
（付記４）
前記高調波成分が、５次の高調波成分である
ことを特徴とする付記１記載のプラズマエッチング装置。
【００４２】
（付記５）
前記センサが、前記プラズマに関する電圧と、電流と、電圧及び電流間の位相差とを測定する
ことを特徴とする付記１記載のプラズマエッチング装置。
【００４３】
（付記６）
前記位相差の平均値を算出する手段を含む
ことを特徴とする付記５記載のプラズマエッチング装置。
【００４４】
（付記７）
前記センサが、コイルより成る
ことを特徴とする付記１記載のプラズマエッチング装置。
【００４５】
（付記８）
プラズマエッチングガスに塩素が含まれる
ことを特徴とする付記１記載のプラズマエッチング装置。
【００４６】
（付記９）
プラズマエッチングされる薄膜のパターン開口率に応じて、複数の線形関数の中から１つの線形関数を選択し
プラズマエッチング中に、プラズマのリアクタンスの高調波成分を測定し、測定値の時間平均値を算出し、
前記１つの線形関数を利用して、前記時間平均値に対応するエッチングの終点時間を決定する
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施例によるプラズマエッチング装置の概略構成図を示す。
【図２】エッチング終了時間と５次リアクタンスのスペクトル強度との実験結果を示す図である。
【図３】５次リアクタンスのスペクトル強度の平均値とエッチング終了時間との関係を示す図である。
【図４】５次リアクタンスの平均値の経時的変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１０  処理室
１２  下部電極
１４  上部電極
１６  第１の高周波電源
１８  第２の高周波電源
２０  コイル
２２  センサ
２４  データ処理部
【図１】
2006083433.tif 000003
【図２】
2006083433.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006083433.tif 000006
【図５】
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